Сглаживающие фильтры. Назначение. Классификация. Основные параметры

На выходе любой схемы выпрямления имеет место пульсация напряжения. Амплитуда и характер пульсации зависят от схемы выпрямления, характера нагрузки, формы входного переменного напряжения и других факторов. Напряжение пульсации создает помехи в питаемой аппаратуре и может нарушить нормальный режим ее работы. Для снижения амплитуды пульсации до до­пустимого значения выпрямительные устройства снабжают фильтрами. Если считать, что выпрямитель нагружен на чисто активную нагрузку и входное напряжение синусоидально, то вы­прямленное напряжение может быть представлено в виде сле­дующего ряда Фурье

, где U_m - максимальное значение выпрямленного напряжения; m - число фаз выпрямления; f - частота входного напряжения. Выражение перед квадратными скобками характеризует по­стоянную составляющую выпрямленного напряжения. Члены вида 2/(m²–1), 2/[(2m)²–1] представляют собой амплитуды гармоник, отнесенные к одному вольту выпрямленного напряжения. Выраже­ния m·f, 2m·f,... определяют частоты этих гармоник. С увеличением номера гармоники амплитуды напряжения гармоник уменьшаются.

На характер и амплитуду пульсации выпрямленного напряжения существенное влияние оказывают не только схема выпрямления и наличие индуктивностей, приводящих к явлению перекрытия фаз, но и ряд других причин. Так, вследствие неравномерной нагрузки фаз трехфазной сети, асимметрии в схеме выпрямителя или наличия в схемах выпрямителей дросселей насыщения, обладающих значи­тельной нелинейностью, могут появиться гармоники с частотами, не характерными для принятой схемы выпрямления.

Амплитуда пульсации напряжения на выходе схемы выпрямле­ния в большинстве случаев превышает допустимое значение. Для снижения амплитуды пульсации применяют сглаживающие фильтры.

Схемы и конструкция фильтров могут быть самыми разнооб­разными. Простейшие фильтры (рисунок 4.1, а и б) обычно состоят из одного элемента (индуктивности или емкости). Одно- и многозвен­ные фильтры (рисунок 4.1, в, г и д) состоят из различных комбинаций L, Си R. В резонансных фильтрах (рисунок 4.1, е и ж) имеются резо­нансные контуры, настроенные на одну из гармоник (обычно первую) выпрямленного напряжения. Электронные фильтры (рисунок 4.1, з), в которых в качестве управляемого сопротивления, подавляющего переменную составляющую, используются схемы с транзисторами. В фильтрах с аккумуляторной батареей (рисунок 4.1, и) аккумуляторная батарея, кроме основного своего назначения – резервирования питания, выполняет вторую задачу - обеспечивает уменьшение пульсации. Для питания стационарной аппаратуры автоматики и связи на железнодорожном транспорте наиболее широкое распространение получили схемы фильтров (см. рисунок 4.1, а, г, д и и).

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэф­фициент фильтрации, который показывает, во сколько раз фильтр уменьшает амплитуду напряжения соответствующей гармоники k_n = Un.вх/Un.вых,где U_{n вх} и U_{n вых} - амплитудные значения напряже­ния n-й гармоники соответственно на входе и выходе фильтра.